珠光石英砂的制备工艺研究

王莉玮，江丽芳，熊 坤

(闽江学院 海洋学院，福建 福州 350108)

随着我国社会与经济的不断发展，新材料越来越多的出现在人们的视线中，随着建筑业的迅速发展和生活水平提高，建筑装饰美化环境越来越引起人们的重视[1]。人们对于建筑的外观、材料有了新的审美和要求。彩色石英砂有着色彩丰富且鲜艳、性能比较稳定、质感好、无毒、环保等优点，作为建筑材料能够起到重要的作用。其丰富的色彩组合、卓越的使用性能、现代与传统的完美结合，受到越来越多的建筑师、地产开发商和消费者的欢迎[2]。

云母钛珠光颜料的基质为云母薄片，表面包覆了透明、较透明高折射率的二氧化钛薄膜，能反射和透射光线，形成珠光效果。粒径相同的云母薄片，随薄膜厚度的增加，颜色按银、金、红、紫、蓝、绿周期性变化[3]。

彩砂是用天然砂石为基底和各种着色剂加工而制成的[4]。彩砂分为天然彩砂和人工彩砂两种，天然彩砂是由天然彩色矿石制备的，它的色彩柔和，制备工艺简单，但由于各地的矿石不同，易出现颜色上的差异，硬度较小不耐磨。而人工彩砂是由人工对石英砂进行着色得到的，颜色均匀，色彩丰富且鲜艳，硬度高，耐磨[5]。 制备彩色石英砂的方法有许多种，如高温烧结法[6]、树脂固化法、常温染色法[7]、陶瓷彩釉法[8]、直接染色法、搪瓷法、硅酸盐废渣法[9]等方法，每种方法所需的原料、温度各不相同，它们的优缺点也各不相同。

本课题所用方法工艺步骤简单，制备时间少。利用固固相合成技术，高温烧结法将珠光颜料与矿化剂与石英砂按一定比例，在600～800℃的高温中烧结，寻找石英砂、珠光颜料、矿化剂最佳配比；最佳烧结温度、时间等，达到降低成本，节约资源，生产高质量产品的目的。

1 实验部分

1.1 彩色石英砂的制备

用天平称取一定量的石英砂于坩埚中，加入一定量的珠光颜料和矿化剂，充分搅拌均匀，放入马弗炉中，设置合适的温度与时间，探究不同条件对制备彩色石英砂的影响。

1.2 表征方法

样品的测定通过肉眼观察来确定其珠光效果，依据国标测定耐水耐酸耐碱性及吸油值。耐水性测定：将1 g样品，20 mL蒸馏水放入带塞的试管内，振荡5 min，真空抽滤，观察滤液滤色程度对照滤色灰色分级卡定级，最好5级，最差1级。

耐酸性测定：将1 g样品，20 mL 2%HCl溶液放入带塞的试管内(对比样，内放蒸馏水)，振荡5 min，真空抽滤，滤饼对照变色样卡定级，滤液对照滤色灰色样卡定级。最好5级，最差1级。

耐碱性测定：将1 g样品，20 mL 2%NaOH溶液放入带塞的试管内(对比样，内放蒸馏水)，振荡5 min，真空抽滤，滤饼对照变色样卡定级，滤液对照滤色灰色样卡定级。最好5级，最差1级。

吸油值(g/100g)测定：在一定的试样中逐步添加试剂邻苯二甲酸二辛酯，充分搅拌成团状体，且无过量的试剂浸出，以增加试剂的质量计算试样的吸油量。

2 结果与讨论

2.1 矿化剂种类对制备珠光石英砂的影响

矿化剂在高温烧结法中的作用非常大，使主晶相发育完善，会有效降低液相的粘度，有利于质点扩散加速反应进程[10]。不同的矿化剂、组合方式和所加量的不同，对烧结时工艺参数、呈色性能、物相组成、显微结构有很大影响。加入矿化剂能形成固溶体或中间化合物，促进晶格活化，加速晶体生长，降低反应温度，减少能耗[11]。常见的矿化剂有CaF2，CaCl2，Na2SiF6，NaF，PbO，H3BO3，KNO3等，加入量随矿化剂种类和温度的不同而变化。

将石英砂，珠光颜料和矿化剂按照10∶1∶1的比例称取置于坩埚中，充分搅拌均匀，放入马弗炉中，设置温度为700 ℃，恒温时间2 h，程序升温时间1 h，矿化剂为KCl、NaF、CaCl2、Na2SiF6、CaCl2+CaF2、PbO，不同的矿化剂对制备珠光石英砂的影响不同，实验结果如表1所示。

根据数据可以看出，不同的矿化剂在制备珠光石英砂时的矿化效果不一样，由实验结果可以看出矿化效果最好的矿化剂为PbO，适合于作为矿化剂，其他的矿化剂矿化效果较差，这是由于PbO通过晶格活化，增强了反应能力，加速了固相反应速度，从而降低煅烧温度。

表1 不同矿化剂对制备珠光石英砂的影响

2.2 矿化剂用量对制备珠光石英砂的影响

矿化剂的添加量过多，反应物直接间距变大，增加了离子、电子扩散传质的路程，阻碍了固相反应的进行，导致矿化剂挥发出腐蚀性物质，形成低共熔物，使所合成的珠光石英砂结块，难以破碎。矿化剂添加量过少时，不能起到有效的矿化作用。只有当矿化剂与石英砂的比例合适时，才能达到最好的矿化效果。将石英砂和珠光颜料按照10∶1的比例至于坩埚中，充分搅拌均匀，放入马弗炉中，设置温度为700 ℃，恒温时间2 h，程序升温时间1 h，矿化剂为PbO，探究PbO与石英砂不同比例时对制备珠光石英砂的影响，实验结果如表2。

表2 矿化剂与石英砂配比对制备珠光石英砂的影响

矿化剂与石英砂的不同配比在制备珠光石英砂时的矿化效果不一样，由实验结果可以看出，当矿化剂与石英砂比例为1∶6时，所制备的珠光石英砂泛红色，表明矿化剂PbO加入量略多。当矿化剂与石英砂比例为1∶8和1∶10时，所制备的珠光石英砂效果最好。当矿化剂与石英砂比例为1∶12时，珠光颜料与石英砂少部分结合。所以矿化效果最好的矿化剂与石英砂配比为1∶10。

2.3 煅烧温度对制备珠光石英砂的影响

由于本课题采用的是高温烧结法，所以温度与烧结时间的选择对制备珠光石英砂至关重要。将石英砂，珠光颜料和矿化剂按照10∶1∶1的比例称取置于坩埚中，充分搅拌均匀，放入马弗炉中，设置恒温时间2 h，程序升温时间1 h，探究煅烧温度的不同对制备珠光石英砂的影响，实验结果如表3所示。

表3 煅烧温度对制备珠光石英砂的影响

根据结果可以看出，当温度为625 ℃和650 ℃时，石英砂与珠光颜料部分着色。当温度为675 ℃和700 ℃时，石英砂与珠光颜料完全结合着色。当温度为750℃时，石英砂与珠光颜料粘结，结成坚硬石块，未能着色。说明煅烧温度不是越高越好，而是在一个阈值时，珠光颜料覆盖在石英砂表面效果才好，探究最佳的煅烧温度，能够减少能耗，节约资源，使制备珠光石英砂的成本降低。

2.4 煅烧时间对制备珠光石英砂的影响

由于石英砂受到环境的长期影响，会吸附大气中的Na、K、Ca、Fe、Al、Mg等离子，主要以氧化物或氢氧化物的形式存在，降低了石英砂的纯度，阻碍了珠光颜料和石英砂之间的接触，降低了石英砂和珠光颜料之间的结合力，使制备的珠光石英砂易脱色[12]。高温能重组石英砂表面结构，使其对杂质相颗粒吸附作用下降，加上石英砂的体积膨胀，使石英砂表面的杂质脱落，不再形成羟基，提高了表面活性，净化了石英砂，使珠光颜料能更好的覆盖在石英砂表面。因此，煅烧时间对珠光石英砂影响也进行了探究。用天平称取石英砂，珠光颜料和矿化剂PbO按照10∶1∶1的比例于坩埚中，充分搅拌均匀，放入马弗炉中，设置温度675 ℃，程序升温时间1 h，探究煅烧时间的不同对制备珠光石英砂的影响，实验结果如表4所示。

表4 煅烧时间对制备珠光石英砂的影响

通过结果可以看出，煅烧时间为0.25 h时，石英砂与珠光颜料完全分离。煅烧时间为0.5～2 h时，石英砂与珠光颜料完全结合。煅烧时间为2.5～3 h时，石英砂与珠光颜料粘结，结成石块。煅烧时间太长，石英砂与珠光颜料容易粘结，结成石块；而煅烧时间太短时不着色。当温度越低时，能耗越小，所以应选择的煅烧时间为0.5 h，能达到节约资源，使制备珠光石英砂的成本降低的目的。

2.5 珠光颜料用量对制备珠光石英砂的影响

用天平称取石英砂和矿化剂PbO按10∶1的比例于坩埚中，充分搅拌均匀，放入马弗炉中，设置温度为675 ℃，恒温时间0.5 h，程序升温时间1 h，探究珠光颜料用量的不同对制备珠光石英砂的影响，实验结果如表5所示。

表5 珠光颜料用量对制备珠光石英砂的影响

通过表5结果可以看出，珠光颜料的用量会影响珠光石英砂制备的效果，由于珠光颜料太多会浪费掉，太少着色效果又较差，所以探究出最适合的珠光颜料与石英砂的比例为1∶10，能够制得质量较好的珠光石英砂，又节约原料，能达到节约资源，使制备珠光石英砂的成本降低的目的。

2.6 珠光石英砂的性能测试

对制备好的珠光石英砂进行耐水性，耐酸性和耐碱性测试，发现经过测试珠光石英砂的颜色并没有褪去，石英砂表面的珠光颜料也没有脱落，说明此产品耐水性，耐酸性和耐碱性比较好。样品的耐油性经过测试，吸油值为10，所以本产品性能良好。

3 结论

通过以上的实验结果看出来，制备珠光效果珠光石英砂的最佳条件为：石英砂∶珠光颜料∶矿化剂的比例为12∶1∶1.2，温度675 ℃，恒温时间0.5 h，程序升温时间1 h。此条件下制备的珠光石英砂着色效果好，色彩均匀，所以适合于大批量生产。